Evolution d'un système de reconnaissance de parentèle chez les insectes sociaux – EVOKIN

Une gamme d’approches, incluant la neuroanatomie, la génomique, l’analyse chimique et l’étude du comportement, a été mise en œuvre dans un cadre phylogénétique.

Échantillonnage sur le terrain : Plus de 700 individus d’espèces solitaires à eusociales et réparties sur l’ensemble de la phylogénie des Hyménoptères ont été collectés en France, au Royaume-Uni, au Panama et en Malaisie.

Neuroanatomie : Par microscopie confocale (marquages antérogrades et immunohistochimie), nous avons reconstruit en 3D les glomérules du lobe antennaire (LA) à partir d’images haute résolution, permettant leur quantification volumétrique et le dénombrement des unités neuroanatomiques (dont les glomérules liés aux sensilles basiconiques). En complément, la microscopie électronique à balayage (MEB) a servi à analyser la densité, la morphologie et la distribution des sensilles basiconiques sur les antennes.

Génomique et bioinformatique : En complément des données publiques, des données génomiques à haute couverture ont été générées pour huit espèces clés de la phylogénie des Hyménoptères. Les gènes des récepteurs olfactifs (OR) ont été annotés à grande échelle, et nous avons évalué les expansions/contractions des gènes d’OR à 9 exons (putativement liés à la détection des CHC). De plus, une approche de RNA-seq a permis de relier la reconnaissance des congénères à des adaptations sensorielles au niveau moléculaire chez certaines espèces.

Analyse chimique : Les hydrocarbures cuticulaires (CHC) ont été extraits chez une gamme d’espèces solitaires et eusociales. Les extraits cuticulaires ont été analysés par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS), et l’identité des composés a été déterminée. Ces données ont permis de calculer des indices de complexité des profils de CHC, en tenant compte des types de CHC (alcanes linéaires vs. hydrocarbures ramifiés/méthylés ou insaturés).

Comportement : Pour tester la reconnaissance des individus du nid chez certaines espèces de fourmis, des expériences d’agression ont été réalisées. Des individus focaux étaient confrontés à des extraits de congénères du nid vs. des non-congénères, ou à des spécimens morts (lavés/chargés de CHC). Les comportements ont été enregistrés en vidéo et analysés à l’aide de logiciels dédiés pour produire un indice d’agressivité intégrant la durée et l’intensité des comportements agressifs.

Analyses phylogénétiques comparatives : Pour comprendre l’évolution du sous-système BaS chez les Hyménoptères, des reconstructions d’états ancestraux ont été réalisées, et les traits neuroanatomiques ont été mappés sur les phylogénies des Hyménoptères. Pour intégrer les données neuroanatomiques, génomiques et chimiques, des analyses de scaling ont été utilisées, avec une régression du nombre/volume de glomérules en fonction de la complexité des CHC et du répertoire des gènes d’OR à 9 exons, afin d’identifier des schémas adaptatifs.

Le sous-système BaS et son cluster glomérulaire TB sont présents chez tous les Formicidae. Les reconstructions phylogénétiques indiquent une origine précoce et une complexité de ce système antérieure à l'eusocialité (Fig. 1 ; Marty et al., 2025). La complexité du TB est proportionnelle à la complexité globale du lobe antennaire (AL), révélant un couplage allométrique conservé. En revanche, l'innervation sérotoninergique est labile, avec des gains et des pertes répétés parmi des genres étroitement apparentés, ce qui montre que l’innervation neuromodulatrice évolue indépendamment du TB. La variation de l'investissement dans le système BaS ne s'explique pas par des traits sociaux ou écologiques. Au contraire, les espèces présentant des mélanges de CHC peu diversifiés ont tendance à investir davantage dans le TB, ce qui correspond à une amplification compensatoire de la discrimination lorsque les signaux chimiques sont appauvris. Chez les fourmis, la structure sociale influence toujours le système olfactif, comme nous l'avons montré avec des adaptations spécifiques à la caste chez une fourmi polymorphe, où les petites ouvrières, spécialisées dans la reconnaissance des membres de la colonie, présentent une densité plus élevée de BaS et une augmentation du nombre de gènes OR à 9 exons.

Les données comparatives provenant des vespidés et d'autres guêpes apoïdes révèlent une tendance différente (Fig. 2). Bien que le sous-système BaS soit très répandu, sa taille relative est souvent dissociée du reste du lobe antennaire. Plusieurs clades solitaires présentent un nombre exceptionnellement élevé de glomérules TB, dépassant parfois celui d’espèces sociales sympatriques. Par ailleurs, le nombre de glomérules TB est fortement corrélé à la taille du répertoire d’OR à 9 exons, tandis que le reste du lobe antennaire covarie avec les OR non 9 exons. Ces résultats indiquent que le sous-système BaS est un module sensoriel ancestral et évolutivement labile, dont l'expansion et la contraction sont principalement dictées par des contraintes écologiques et chimiques plutôt que par la complexité eusociale.

De manière remarquable, une diminution convergente du cluster TB et des répertoires de gènes d’OR à 9 exons est observée chez les lignées qui collectent du pollen, ce qui correspond à une adaptation vers des signaux floraux. Ces résultats soutiennent l'hypothèse selon laquelle la fonction ancestrale du BaS résidait dans la détection de l'hôte/proie, la reconnaissance des congénères de la colonie représentant une spécialisation dérivée chez les taxons sociaux. Nous finalisons actuellement des modèles multivariés contrôlés phylogénétiquement intégrant la composition des CHC, l'investissement dans le système BaS et le nombre d'OR afin de vérifier si le modèle de compensation sensorielle observé chez les fourmis s'applique à l'ensemble des hyménoptères.

Dans l'ensemble, EVOKIN positionne le BaS/TB comme un sous-système olfactif ancien et modulaire, ajusté à plusieurs reprises par des contraintes écologiques et phylogénétiques, fournissant un ensemble d'outils sensoriels préadaptés qui pourraient être cooptés pour la reconnaissance des individus apparentés lorsque les conditions le favorisent.

Ces résultats revêtent une importance majeure, car ils remettent en cause une hypothèse de longue date. La transition vers l’eusocialité n’a donc pas été la force principale façonnant le système olfactif des Hyménoptères. Nos données soutiennent plutôt une hypothèse alternative : un sous-système préexistant et hautement développé, initialement impliqué dans la détection et la discrimination de profils de CHC complexes dans le cadre de modes de vie parasitoïdes, a été ultérieurement détourné pour permettre la reconnaissance des individus de la colonie chez les espèces sociales.

Les découvertes du projet EVOKIN et les discussions collaboratives qu’il a suscitées ont donné naissance à trois projets innovants, sur la variabilité cognitive et la personnalité chez les fourmis, l’influence des facteurs sociaux et écologiques dans l’évolution du cerveau chez les Hyménoptères ou bien l’étude de la course aux armements pour la détection des proies/hôtes entre guêpes coucous et leurs hôtes. Ces projets approfondiront notre compréhension de l’évolution des systèmes sensoriels et du cerveau chez les insectes.

En termes d’évolution, la vie consiste à se reproduire. Pourtant, certains animaux renoncent à leur propre reproduction pour soutenir les efforts de reproduction d’autres individus de la même espèce. Abeilles, fourmis et guêpes (hyménoptères) sont bien connues pour leur mode de vie «eusocial» où une reine contrôle la reproduction de nombreuses ouvrières. Comme Darwin lui-même l’a reconnu, ce sacrifice des ouvrières était un défi majeur pour sa théorie de la sélection naturelle. Cette énigme a trouvé une solution lorsqu’on a réalisé qu’aider un individu apparenté pouvait favoriser son propre succès reproducteur de manière indirecte. Cependant, une telle stratégie est vulnérable à l'exploitation, et nécessite de pouvoir distinguer entre les individus apparentés ou non. Comment l’eusocialité a pu évoluer neuf fois chez les seuls hyménoptères, alors qu’elle est absente chez la plupart des insectes ? On savait que les fourmis (eusociales) possèdent un sous-système olfactif spécialisé dans la reconnaissance de la parenté, permettant de détecter les parasites sociaux. Des structures sensorielles des antennes, les sensilles basiconiques (BaS), détectent les hydrocarbures cuticulaires (CHC), mélange d'indices chimiques révélant la colonie d’appartenance. Les neurones des BaS sont connectés à une région séparée du centre olfactif primaire du cerveau d’insecte et expriment un groupe de gènes de récepteurs olfactifs (OR) avec une structure à 9 exons. Étonnamment, un même ensemble de caractéristiques a récemment été observé chez des Vespidés (frelons), chez lesquels le mode de vie eusocial a évolué indépendamment. Cette découverte suggère que le système BaS peut avoir joué un rôle critique dans l'évolution convergente de l'eusocialité en permettant la reconnaissance de la parenté. Cependant, nous ne savons pas si ce système était présent chez les espèces solitaires ancestrales, s'il était pré-adapté pour permettre la reconnaissance de la parenté, ni comment il aurait pu être affiné pour cette tâche. Répondre à ces questions est essentiel pour comprendre la remarquable diversité des comportements sociaux chez les hyménoptères et expliquer pourquoi l'eusocialité, normalement si rare, a évolué tant de fois dans ce clade.

Le projet EVOKIN propose de résoudre cette question en collectant des données sur des espèces représentant toutes les principales lignées d'hyménoptères, une gamme variée d'organisations sociales et de multiples origines indépendantes de l'eusocialité. En combinant des données neuroanatomiques, chimiques et moléculaires avec des analyses comportementales et neurophysiologiques, nous testerons le lien évolutif existant entre le système BaS et l'eusocialité.
Précisément, nous allons:
Objectif 1: révéler comment l'organisation anatomique du système BaS varie d'un hyménoptère à l'autre. Nous testerons si cette variation est associée à l'organisation sociale et reconstruirons l'histoire évolutive des traits clés à travers la phylogénie, nous permettant de placer les changements comportementaux et neuronaux dans l'ordre chronologique.
Objectif 2: utiliser les répertoires d’OR d’un nombre important d’hyménoptères pour tester si le nombre de gènes d’OR à 9 exons co-évolue avec la complexité du profil cuticulaire de chaque espèce ainsi qu’avec le nombre d'unités anatomiques dans le système BaS.
Objectif 3: Confirmer la fonction du système BaS dans la reconnaissance de la parenté dans les lignées eusociales, et déterminer sa fonction ancestrale chez les espèces solitaires, en effectuant des expériences comportementales (e.g., rencontres dyadiques) et en enregistrant par imagerie optique in vivo l'activité neuronale du système BaS en réponse à des odeurs d’individus apparentés, conspécifiques ou à des odeurs environnementales.
Grâce à un échantillonnage et à l’utilisation d’une gamme d’approches expérimentales sans précédent, le projet EVOKIN découvrira les adaptations neuronales qui soutiennent le comportement social des hyménoptères.